砌体结构设计方法PPT课件.pptx

砌体结构 主讲人 郭奇峰王培涛Tel mail wangpeitao 2020 3 19 土木与环境工程学院 1 问题 3 砌体结构设计的计算方法 为什么不能用干砖砌墙 科学问题 1 工艺上 干砖砌筑 砂浆的铺摊较难 灰缝不易饱满 2 干砖吸收砂浆水分 水泥失水后无法水化 强度降低 3 干砖自身与砂浆黏结性较差 砌体强度低 据研究 干砖砌体抗剪强度较湿砖砌体低41 6 陕西建筑科学设计院 干砖砌筑 湿砖砌筑 2020 3 19 2 上节课程主要内容回顾 3 砌体结构设计的计算方法 砌体结构设计方法的4个历史发展 我国砌体结构设计标准的3个发展阶段 极限状态设计方法 2个状态 2020 3 19 3 3 4 砌体结构设计的计算方法 现行规范 砖石结构设计规范 GB50003 2011以概率理论为基础 以结构失效概率 相应的可靠指标 定义 度量 结构可靠度 以分项系数表达 结构的功能要求 重要知识点 结构的极限状态 结构的可靠度和可靠指标 结构的作用 作用效应 抗力 结构的设计可靠指标 2020 3 19 4 砌体结构极限状态设计方法 主要内容 土木与环境工程学院 砌体结构上的作用 作用效应和结构抗力3个基本概念砌体结构的可靠度和可靠指标2个指标概念结构的设计可靠指标设计基准期和使用年限砌体结构设计表达式砌体结构强度设计 2020 3 19 5 3 6 砌体结构设计的计算方法 1 极限状态设计方法 作用 作用效应 结构抗力 结构功能的表达 S R可靠 S 作用效应ActionEffect结构上的作用引起的效应 应力等 S R极限状态 S R失效 作用F t R 结构抗力Resistant结构抵抗作用效应的能力 强度 变形等 F 作用Action使结构产生内力和变形的原因 荷载等 2020 3 19 6 3 7 砌体结构设计的计算方法 结构上的作用 结构产生内力和变形的原因直接作用 施加在结构上的集中和分布荷载如 永久载荷 可变载荷 活载荷 风雪载荷 偶然载荷间接作用 引起结构外加变形和约束变形 导致结构产生效应如 地震 地基沉降 混凝土收缩 温度变化 焊接作用按实际变异分类 永久作用 可变作用 偶然作用 1 极限状态设计方法 作用 作用效应 结构抗力 2020 3 19 7 3 8 砌体结构设计的计算方法 荷载 直接作用的量化 的标准值1 定义将荷载N视为随机变量 采用数理统计的方法加以处理 得到的具有一定概率的最大荷载值2 确定a 结构的自重可根据结构的设计尺寸和材料的重力密度确定b 可变荷载常与时间有关 在缺少大量统计材料的条件下 可近似按随机变量来考虑 1 极限状态设计方法 作用 作用效应 结构抗力 2020 3 19 8 3 9 砌体结构设计的计算方法 荷载 直接作用的分类按作用时间的长短和性质 荷载分为三类 1 永久荷载在结构设计使用年限内 其值不随时间而变化 或其变化与平均值相比可以忽略不计 或其变化是单调的并能趋于限值的荷载 1 极限状态设计方法 作用 作用效应 结构抗力 作用在墩台的恒载 建筑结构重力 2020 3 19 9 3 10 砌体结构设计的计算方法 荷载 直接作用的分类按作用时间的长短和性质 荷载分为三类 2 可变荷载在结构设计基准期内其值随时间而变化 其变化与平均值不可忽略的荷载 1 极限状态设计方法 作用 作用效应 结构抗力 基本可变荷载 活载 桥梁工程车辆荷载 人群荷载 楼屋面使用荷载 等等其它可变荷载 包括偶然荷载 包括自然和人为产生的各种变化力 风力 风荷载 积灰 积雪 汽车制动力 温度影响力 支座摩阻力 流水压力及冰压力等偶然荷载陨石 星球可能的碰撞 2020 3 19 10 3 11 砌体结构设计的计算方法 荷载 直接作用的分类按作用时间的长短和性质 荷载分为三类 3 偶然荷载在结构设计基准期内不一定出现 但一旦出现其值很大 作用时间很短的荷载 爆炸 撞击 自然灾害 风 雪 洪水等 1 极限状态设计方法 作用 作用效应 结构抗力 爆炸荷载 撞击荷载 洪水冲击 2020 3 19 11 3 12 砌体结构设计的计算方法 间接作用 引起结构外加变形和约束变形 导致结构产生效应 1 极限状态设计方法 作用 作用效应 结构抗力 地震 地基沉降 混凝土收缩 2020 3 19 12 3 13 砌体结构设计的计算方法 1 极限状态设计方法 作用 作用效应 结构抗力 地震作用下结构破坏 地震作用的影响 案例 地震波形 2020 3 19 13 3 14 砌体结构设计的计算方法 1 极限状态设计方法 作用 作用效应 结构抗力 地基沉降作用下结构破坏 地基沉降作用的影响 案例 地基不均匀沉降等会在结构内引起复杂的内力 2020 3 19 14 3 15 砌体结构设计的计算方法 作用效应S 作用对结构产生的效应 内力 变形 裂缝等 载荷与载荷效应一般呈线性关系载荷效应可以用载荷值乘以载荷效应系数来表达 1 极限状态设计方法 作用 作用效应 结构抗力 2020 3 19 15 3 16 砌体结构设计的计算方法 结构抗力R 整个结构承受内力或变形的能力影响因素 材料的性能 变形模量 弹性模量 强度几何参数 构件的尺寸 结构组合等计算方法的精确性 外在因素 1 极限状态设计方法 作用 作用效应 结构抗力 以上几个因素都存在一定的随机性 因此结构抗力R应该视作一个随机变量 2020 3 19 16 3 17 砌体结构设计的计算方法 2 极限状态设计方法 可靠度和可靠指标 为何引入可靠度或相关指标 极限状态S R 哪组更可靠 2020 3 19 17 3 18 砌体结构设计的计算方法 2 极限状态设计方法 可靠度和可靠指标 Z R S 0 处于可靠状态 Z R S 0 处于不可靠状态 即失效 Z R S 0 处于极限状态 此方程称极限状态方程 结构功能函数 Z f S R 结构抗力R 作用效应S 2020 3 19 18 3 19 砌体结构设计的计算方法 结构功能函数Z R S 可靠度指标 Z的平均值Z的标准差失效概率Pf可靠概率Ps 2 极限状态设计方法 可靠度和可靠指标 Ps 2020 3 19 19 3 20 砌体结构设计的计算方法 结构构件承载能力极限状态的可靠性指标不应小于表中规定 2 极限状态设计方法 可靠度和可靠指标 值越高 曲线越陡 失效概率越小 面积越小 结构越可靠 值越低 曲线越平缓 失效概率越大 面积越大 结构越不可靠 2020 3 19 20 3 21 砌体结构设计的计算方法 3 砌体结构的设计可靠指标 目的 以可靠指标 为结构可靠性的定量尺度 选择最优失效概率或可靠指标指导结构设计 达到安全 经济的最佳平衡 定义 又称目标可靠指标 容许可靠指标 以 表示 根据各种结构的重要性及失效后果优化分析得到的指标 2020 3 19 21 3 22 砌体结构设计的计算方法 3 砌体结构的设计可靠指标 极限状态的设计可靠指标 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068 2001 的校准法确定的设计可靠指标 注 1 采用长期工程经验得到的校准指标 2 重要建筑物与次要建筑物的划分 则应根据建筑结构的破坏后果 即危及人的生命 造成经济损失 产生社会影响等的严重程度确定 2020 3 19 22 3 23 砌体结构设计的计算方法 4 极限状态设计方法 设计基准期 设计使用年限 设计基准期是确定结构的使用期 我国设计基准期50a 设计使用年限是设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期 建筑物的设计使用寿命 2020 3 19 23 3 24 砌体结构设计的计算方法 4 极限状态设计方法 设计基准期 设计使用年限 国家标准 结构可靠度标准 总则 我国建筑工程的设计基准期为50年 设计使用年限分别采用5年 临时性建筑结构 25年 易于替换的建筑结构构件 50年 普通房屋和构筑物 100年 纪念性建筑和特别重要的建筑结构 1 所谓设计基准期 是为了确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数 它不等同于建筑结构的设计使用年限 也不等同于建筑物的使用寿命 建筑结构设计所采用的荷载统计参数和材料性能参数 都是按照设计基准期为50年确定的 如设计时需要采用其他设计基准期 则必须另行确定在该基准期内结构材料性能和最大荷载的概率分布及相应的统计参数 2020 3 19 24 3 25 砌体结构设计的计算方法 4 极限状态设计方法 设计基准期 设计使用年限 设计基准期是一个基准参数 不仅涉及到可变作用 荷载 还涉及到材料的性能 是在对大量实测数据进行统计分析的基础上提出来的 如 我国 抗震规范 所采用的设计地震动参数 包括反应谱和地震时地面运动最大加速度等 的设计基准期为50年 如果要求采用设计基准期为100年的设计地震动参数 则不但要对地震动的概率分布进行专门研究 还要相应地对建筑材料乃至设备的性能参数进行专门的统计分析研究 2020 3 19 25 3 26 砌体结构设计的计算方法 4 极限状态设计方法 设计基准期 设计使用年限 2 设计使用年限 服役期 服务期 是指设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按其预定目标使用的年限 即房屋建筑在正常设计 正常施工 正常使用和一般维护条件下所应达到的使用年限 结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠性 满足安全性 适用性和耐久性的功能要求 2020 3 19 26 3 27 砌体结构设计的计算方法 4 极限状态设计方法 设计基准期 设计使用年限 3 建筑寿命 是指建筑物从建造到投入使用的总时间 即从建造开始直到建筑物毁坏或丧失使用功能的全部时间 2010年8月13日 曾是北京地标性建筑的凯莱大酒店主楼开始拆除 由于该酒店地理位置特殊 不会采用爆破方式 要进行机械逐层拆除 预计3个月拆完 凯莱大酒店从开业至停业 累计亏损达1 88亿 2020 3 19 27 3 28 砌体结构设计的计算方法 安全性 如 M Mu 结构在预定的使用期间内 一般为50年 应能承受在正常施工 正常使用情况下可能出现的各种荷载 外加变形 如超静定结构的支座不均匀沉降 约束变形 如温度和收缩变形受到约束时 等的作用 在偶然事件 如地震 爆炸 发生时和发生后 结构应能保持整体稳定性 不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失 2020 3 19 28 3 30 砌体结构设计的计算方法 适用性 如 f f 结构在正常使用期间 具有良好的工作性能 如不发生影响正常使用的过大的变形 挠度 侧移 振动 频率 振幅 或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度 2020 3 19 30 3 31 砌体结构设计的计算方法 耐久性 如 wmax wmax 结构在正常使用和正常维护条件下 应具有足够的耐久性 即在各种因素的影响下 混凝土碳化 钢筋锈蚀 结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低 而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性 降低使用寿命 2020 3 19 31 3 32 砌体结构设计的计算方法 结构的可靠性 可靠性 安全性 适用性和耐久性的总称 就是指结构在规定的使用期限内 设计工作寿命 50年 在规定的条件下 正常设计 正常施工 正常使用和维护 完成预定结构功能的能力 结构可靠性越高 建设造价投资越大 如何在结构可靠与经济之间取得均衡 就是设计方法要解决的问题 2020 3 19 32 3 33 砌体结构设计的计算方法 可靠与经济的均衡受到多方面的影响 如国家经济实力 设计工作寿命 维护和修复等 规范规定的设计方法 是这种均衡的最低限度 也是国家法律 设计人员可以根据具体工程的重要程度 使用环境和情况 以及业主的要求 提高设计水准 增加结构的可靠度 经济的概念不仅包括第一次建设费用 还应考虑维修 损失及修复的费用 2020 3 19 33 3 34 砌体结构设计的计算方法 结构能够满足功能要求而良好地工作 则称结构是 可靠 的或 有效 的 反之 则结构为 不可靠 或 失效 区分结构 可靠 与 失效 的临界工作状态称为 极限状态 可靠 失效和极限状态概念 2020 3 19 34 3 35 砌体结构设计的计算方法 承载能力极限状态超过该极限状态 结构就不能满足预定的安全性功能要求 结构或构件达到最大承载力 包括疲劳 结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡 如倾覆 滑移 结构塑性变形过大而不适于继续使用结构或构件丧失稳定 如细长受压构件的压曲失稳 等等 2020 3 19 35 3 36 砌体结构设计的计算方法 原则 结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形的极限状态为承载能力极限状态 表达式 荷载效应S与结构抗力R间的关系 其中 0 为结构的重要性系数安全等级一级或设计使用年限50年以上的结构构件 0 1 1 安全等级为二级或设计使用年限为50年的 0 1 0 安全等级为三级或设计使用年限为1 5年的 0 0 9 2020 3 19 36 3 37 砌体结构设计的计算方法 按照承载力极限状态设计 选下列最不利组合 其中 0为结构的重要性系数安全等级一级或设计使用年限50年以上的结构构件 0 1 1 安全等级为二级或设计使用年限为50年的 0 1 0 安全等级为三级或设计使用年限为1 5年的 0 0 9 2020 3 19 37 3 38 砌体结构设计的计算方法 其中 L为结构构件的抗力模型不定性系数静力设计 设计使用年限为50a L 1 0 设计使用年限为50a L 1 1 2020 3 19 38 3 39 砌体结构设计的计算方法 其中 SGK为永久载荷标准值的效应SQ1K为在基本组合中起控制作用的一个可变荷载标准值的效应 SQiK为第i个可变荷载标准值的效应 2020 3 19 39 3 40 砌体结构设计的计算方法 其中 Qi为第i个可变荷载的分项系数 ci为第i个可变荷载的组合值系数 一般为0 7 书库 档案库 电梯机房等为0 9 R 为结构构件的抗力函数 2020 3 19 40 3 41 砌体结构设计的计算方法 其中 f为强度设计值 ak为几何参数设计值 2020 3 19 41 3 42 砌体结构设计的计算方法 习题 非抗震区建的某四层砌体结构教学楼 进行一层横墙承载力计算时 经计算上部各层传来的荷载 第二层楼面恒荷载及第一层墙体自重标准值之和为156kN m 第二层楼面活荷载标准值为10 8kN m 组合值系数为0 7 请确定该横墙按承载能力极限状态基本组合时的轴向压力设计值 解 由可变荷载效应控制的组合 由永久荷载效应控制的组合 取最不利组合值 轴向压力设计值为221 18kN m 极限状态承载力设计 2020 3 19 42 3 43 砌体结构设计的计算方法 材料或构件抵抗破坏的能力 值为在一定的受力状态和工作条件下 材料所能承受的最大应力或构件所能承受的最大力 6 极限状态设计方法 砌体强度R设计 材料的强度是什么 强度 2020 3 19 43 3 44 砌体结构设计的计算方法 6 极限状态设计方法 砌体强度设计 1 材料的强度标准值 fm为强度的平均值fk为砌体强度标准值 取强度平均值fm概率密度分布函数的0 05分位值 砌体强度的保证率为95 f为砌体强度的变异系数 抗压强度 0 17 各类 0 24 毛石 拉 弯 剪0 20 各类 0 26 毛石 取强度平均值概率密度分布函数的0 05分位值 保证砌体强度为95 2020 3 19 44 3 45 砌体结构设计的计算方法 6 极限状态设计方法 砌体强度设计 2 材料的强度设计值 用f表示 是砌体结构构件按承载能力极限状态设计时所采用的砌体强度代表值 标准值与材料性能分项系数之比 其中 f材料分项系数 考虑可靠度要求 施工质量 砂浆和混凝土强度变异程度 砌筑工人技术等级等综合 砌体工程施工质量验收规范 将砌体施工质量控制等级分为A B C三个等级 在结构设计中通常按B级考虑 即 f 1 6 当为A级时 取1 5 当为C级时 取1 8 砌体强度设计值以施工质量控制等级为B级 以毛截面计算 龄期为28d的各类砌体 确定出各类砌体的强度设计值 如附表 2020 3 19 45 3 46 砌体结构设计的计算方法 2 极限状态设计方法 砌体强度设计值 烧结普通砖和烧结多孔砖砌体的抗压强度设计值 MPa 当烧结多孔砖的孔洞率大于30 时 表中数值乘以0 9 砂浆尚未硬化的新砌砌体采用该设计值 2020 3 19 46 3 47 砌体结构设计的计算方法 2 极限状态设计方法 砌体强度设计值 混凝土普通砖和混凝土多孔砖砌体的抗压强度设计值 MPa 2020 3 19 47 3 48 砌体结构设计的计算方法 2 极限状态设计方法 砌体强度设计值 蒸压灰砂普通砖和蒸压粉煤灰普通砖砌体的抗压强度设计值 MPa 当采用专用砂浆砌筑时 其抗压强度设计值按表中数值采用 2020 3 19 48 3 49 砌体结构设计的计算方法 2 极限状态设计方法 砌体强度设计值 单排孔混凝土砌块和轻集料混凝土砌块对孔砌筑砌体的抗压强度设计值 MPa 2020 3 19 49 3 50 砌体结构设计的计算方法 2 极限状态设计方法 砌体强度设计值 双排孔或多排孔轻集料混凝土砌块砌体的抗压强度设计值 MPa 1 表中砌块为火山渣 浮石和陶粒轻集料混凝土砌块 2 对厚度方向为双排组砌的轻集料